Измерение влажности воздуха, газа

 

1 Психрометрический метод

    Он основан на использовании зависимости относительной влажности воздуха от разности температур сухого и влажного термометров. Для определения влажности используется психрометрическая таблица (приложение Г). Приборы, основанные на психрометрическом методе, оснащены двумя одинаковыми термометрами (термосопротивлениями), один из которых постоянно влажный. При этом используются различные мостовые схемы, рисунок 5. Условие равновесия моста (рисунок 5) определяется по формуле

 

                                    (R_M+R+R_X)R₄ = (R_C+R-R_X)R₂                                        (30)         

 

где R_M – сопротивление влажного термометра (термосопротивление);

        R_C – сопротивление сухого термометра (термосопротивление).

                                              

 

 

                                                            R

 

                                           R₅                          R_c

 

                                 R_M

 

                                                            R₄

                                   R₂

 

 

                                          

                                      

                                      U_пит

 

 

Рисунок 5 – Мостовая схема психрометра

 

2 Конденсационный метод

Конденсационный метод основан на определении относительной влажности по известным температурам воздуха (газа) и точки росы. Эта точка

контролируется визуально или с помощью фотоэлементов. При расчетах можно пользоваться следующим выражением для относительной влажности:

 

                                                    а + Т – в ( Т – Т_d)

                                     j =                                 * 100%,                          (31)

                                                  а + Т + в ( Т – Т_d)

 

где Т и Т_d - температура воздуха и точки росы, К;

      а и в - постоянные коэффициенты (в диапазоне температур воздуха 293  313К, а = 105, в = 3,9).

Одна из схем гигрометра приведена на рисунке 6.

 

            

              3              2

 

 

	1

                  

 

                                                            

 

 

1-источник света; 2- зеркальце; 3- фотоэлемент; 4- усилитель; 5- реле;

6 -полупроводниковая батарея; 7-термоэлектрический преобразователь

Рисунок 6 – Фотоэлектрический гигрометр

 

  Охладителем является полупроводниковая термоэлектрическая батарея 7, работающая по принципу эффекта Пельтье: повышение температуры одного спая и понижение температуры другого спая при прохождении тока в термоэлектрической цепи. К холодному спаю полупроводникового элемента батареи припаяно металлическое зеркальце 2. Для измерения температуры зеркальца к его поверхности припаян термоэлектрический преобразователь, подключенный к милливольтметру.

  В отсутствии на поверхности зеркала конденсата, падающий на него от источника света 1 световой поток отражается и попадает на фотоэлемент 3. В цепи фотоэлемента проходит фототок, который усиливается электронным усилителем и управляет работой реле 5. При этом через термоэлемент полупроводниковой батареи 6 проходит ток и зеркало охлаждается. Появление конденсата на поверхности зеркала приводит к рассеянию светового потока, уменьшающего освещенность фотоэлемента, уменьшению фототока и переключению реле, при котором питание термоэлемента отключается. Так как окружающая температура выше температуры зеркала, конденсат с поверхности зеркала быстро испаряется, и реле вновь включает в работу термоэлемент полупроводниковой батареи.

 

3  Емкостные влагомеры

Емкостные влагомеры работают по принципу изменения емкости конденсатора, в котором измеряемое вещество играет роль диэлектрика, с изменением его влажности.

Емкость цилиндрического конденсатора определяется по формуле

                                 С_Х =                                                             (32)

 

где e _а  - абсолютная диэлектрическая проницаемость измеряемого вещества, Ф/м;

   l - высота слоя измеряемого вещества, м;

   D₁ и D₂ - внешний и внутренний диаметры измерительного конденсатора, м.

 

Вариант 1

1. Жидкостный манометр отградуирован при атмосферном давлении 101,3 кПа на измерение абсолютного давления до 130 кПа. Изменится ли избыточное давление прибора, заполненного ртутью, при падении атмосферного давления до 97 кПа? Определить относительную погрешность измерения абсолютного давления, если показание прибора соответствует 130 кПа.

2. Определить передаточное число редуктора поплавкового уровнемера, одно из колёс которого связано с барабаном, наматывающим трос, другое – со стрелкой указателя, если при перемещении поплавка от 0 до 1,5 м угол поворота указателя равен 270°. Диаметр барабана 100 мм.

3. Длина указателя дилатометрического термометра равна 150 мм, а расстояние от её точки крепления до латунного стержня (a _l =0,2 10^-41/К°) равно 15 мм. Найти цену деления и чувствительность термометра, если начальная длина стержня l ₀=50 мм.

4. Термосопротивление ТСМ 50М выполнен с допуском на номинальное сопротивление R₀ = 50±0,1 Ом. Определить погрешность измерения температуры 100° С^о.

5. При изменении расхода в 1,5 раза перепад давления в сужающем устройстве увеличился на 10 кПа. Определить первоначальное значение перепада давления.

 

Вариант 2

1. Жидкостный манометр, заполненный спиртом, градуируется при температуре 20°С; плотность спирта r_V0=800 кг/м³. Определить, как изменится чувствительность прибора при температуре 30°С, если р_V=790 кг/м³. Найти погрешность измерения давления Р_изб= 1кПа.

2. Контактно-механический уровнемер рассчитан на измерение уровня до 5 м. Сколько оборотов сделает электромеханическая лебёдка диаметром 0,5 м? Выбрать коэффициент передачи редуктора, связывающего лебёдку с сельсином-датчиком, если его поворот должен быть не более 180°.

3. Выбрать соотношение плеч рычага дилатометрического термометра с диапазоном измерения –100…+500°С° так, чтобы его шкала имела линейный размер 60 мм. В термометре используется латунный стержень (a _l =0,2 10^-41/К°) длиной l ₀ =100 мм.

4. В качестве чувствительных элементов психрометра использованы медные терморезисторы ТСМ 100М. При температуре сухого термометра 25°С равновесие моста произошло при сопротивлениях R_X=2 Ом, R₅= R,  R₂= R₄  Найти относительную влажность воздуха (рисунок 5, Приложение Г).

5. Для измерения температуры использован автоматический потенциометр класса точности 0,5 с ценой деления шкалы 20С/мВ. Найти наибольшие абсолютные погрешности измерения напряжения и температуры. Диапазон измерения 200-600°С, тип термопары ТХА.

 

Вариант 3

1. На рисунке 7 приведена принципиальная схема мембранного сигнализатора уровня. При каком давлении среды сработает сигнализатор с мембраной диаметром 50 мм и толщиной 0,5 мм, если модуль упругости материала мембраны Е =20 ГПа, а рабочий ход микропереключателя 2 мм?

 

 

 

 

1 – мембрана, 2 – диск, 3 – возвратная пружина,

4 – микропереключатель, 5 - корпус

Рисунок 7 – Мембранный сигнализатор уровня

 

2. На рисунке 8 приведен грузопоршневой манометр. Диаметр поршня 50 мм. Рассчитать массу груза таким образом, чтобы с помощью манометра можно было измерить давление до 10 кПа.

3. Мембранный сигнализатор (рисунок 7) используется для сигнализации верхнего уровня жидкости плотностью r_V= 950 кг/м³. При какой толщине слоя над осью мембраны включится сигнализатор, если давление срабатывания мембраны 500 Па.

 

 

 

 

 

1 – груз, 2 – поршень, 3 – измерительный цилиндр

Рисунок 8 – Грузопоршневой манометр

 

4. Измеренные значения сопротивления платинового терморезистора градуировки 50П составили 75 Ом. Найти значение температуры контролируемой среды.

5. Найти значения температурной чувствительности платинового терморезистора ТСП 100П в диапазоне от 0 до 200°С в точках шкалы через каждые 50°С. Построить график зависимости чувствительности от температуры.

Вариант 4

1. Мембранный сигнализатор (рисунок 7) используется для сигнализации верхнего уровня жидкости плотностью r_V= 950 кг/м³. При какой толщине слоя над осью мембраны включится сигнализатор, если давление срабатывания мембраны 500 Па.

2. Измеренное значение термо-ЭДС для термопары типа ТХА при температуре холодных спаев 0°С составило 5,2 мВ; Найти значение температуры контролируемой среды (Приложение А).

3. Найти значения температурной чувствительности термопары типа ТХК в диапазоне температур от 0 до 500 ⁰С (Приложение А). Построить график зависимости чувствительности от температуры.

4. Измеренное значение сопротивления терморезистора при температуре 120°С составило 146 Ом. Определить его градуировку и погрешность нахождения температуры.

5. При изменении расхода в 1,2 раза частота вращения турбины увеличилась на 100 об/мин. Найти первоначальное число оборотов и чувствительность тахометрического расходомера, если первоначальный расход был 10 м³/ч.

 

Вариант 5

1. Измеренное значение термо-ЭДС при температуре 150°С° составляет 1,1 В. Определить тип использованной термопары и погрешность нахождения термо-ЭДС Е (150, t₀) при t₀=0°С° (Приложение А).

2. Для измерения уровня жидкости плотностью r_V=1050 кг/м³ в открытом резервуаре используют дифференциальный манометр, минусовая трубка которого соединена с атмосферным воздухом. Определить показания манометра при нулевом уровне и максимальном уровне воды 5 м, если он расположен ниже нулевого уровня резервуара на 3 м.

3. При измерении температуры с помощью термопары типа ТХА (Приложение А) термо-ЭДС равна 5,5 мВ при температуре холодных спаев 20°С°. Найти истинное и измеренное значения температуры.

4. Определить верхний предел измерения манометра класса точности 1,5, если максимальная абсолютная погрешность манометра 0,3 кПа.

5. В турбинном расходомере с индуктивным преобразователем в диапазоне частоты вращения 500...800 об/мин значение ЭДС меняется от 20 до 40 В. Опреде­лить частоту вращения и расход при напряжении 25 В, если шкала отградуирована от 20 до 80 м³/ч. Шкала прибора равномерная

 

Вариант 6

1. Тензодатчик сопротивлением 500 Ом и длиной 50 мм наклеен на мембрану деформационного манометра. При давлении 5 кПа его длина стала 55 мм. Определить чувствительность тензодатчика и изменение сопротивления, если к_Д=2.

2. На рисунке 10 приведена схема простейшего гидростатического уровнемера – водомерного стекла. Определить объём и массу воды в измерительном резервуаре диаметром 1 м, если максимальный уровень в трубке соответствовал 0,8 м. Плотность воды 990 кг/м³.

 

 

 

Рисунок 10 – Водомерное стекло

 

3. До какой температуры окружающей среды, в которой расположены холодные спаи термопары типа ТПП (Приложение А), можно проводить измерение температуры в диапазоне от 100 до 200⁰С, с погрешностью измерения не выше 10⁰С?

4. Манометр класса точности 0,2 имеет верхний предел измерения 10 МПа, количество делений на шкале 250. Определить цену деления, чувствительность манометра, наибольшую абсолютную погрешность и значение измеряемой величины давления, если стрелка манометра находится на отметке 60 делений.

5. Сколько метров медной проволоки диаметром 0,1 мм необходимо для изготовления терморезистора ТСМ 100 М? Удельное сопротивление меди при 0°С равно 0,0176*10^-6 Ом*м.

 

Вариант 7

1. Для измерения давления воздуха используют ёмкостный манометр. При отсутствии давления расстояние между обкладкой и тонкой мембраной 1 мм, ёмкость прибора С=100 пФ. Определить значения ёмкости при перемещении мембраны на 0,2 и 0,8 мм при давлениях 10 и 40 кПа. Определить чувствительность ёмкостного манометров.

2. Построить график зависимости Е _t=f(t) для термопары типа ТХА в диапазоне от 0 до 600°С при t ₀=0°С. Как изменится график при температуре холодных спаев 20°С?

3. Ёмкостный манометр используют для измерения давления жидкости от 10 до 50 кПа, причём ёмкость меняется от 4 до 20 пФ. В измерительной цепи его применяют в резонансном контуре с индуктивностью 0,1 мГн, питание которого от источника переменного напряжения с f=4 МГц. При каком давлении контур будет работать в режиме резонанса? Условие резонанса Х_L=Х_С

4. Терморезистор ТСМ 50 М выполнен из медной проволоки, намотанной виток к витку на керамический каркас диаметром 10 мм. Определить число витков и длину намотки, если диаметр проволоки 0,1 мм и удельное сопротивление меди 0,0176*10^-6 Ом*м.

5. Для измерения давления 50 кПа использовались поочередно два манометра: один – класса точности 1,5 с чувствительностью 1 дел/кПа и шкалой на 100 делений; другой – класса точности 1,0 с ценой деления 2кПа/дел и шкалой на 100 делений. Какой прибор лучше использовать для измерения давления?

 

Вариант 8

1. Начальная ёмкость конденсатора ёмкостного уровнемера при отсутствии жидкости в нём 50 пФ. Определить значения ёмкости при значениях уровня 0,5 l ₀ для жидкости с относительной диэлектрической проницаемостью  = 8 (рисунок 4).

2. Термопару типа ТХК используют в диапазоне температур от 0° до 600°С. Найти значения термо-ЭДСЕ(300, 100), если градуировка термопары проведена при 0°С.

3. По трубопроводу диаметром D =100 мм движется поток жидкости со средней скоростью 5 м/с. Определить объёмный и массовый расходы жидкости, если её плотность r_V= 955кг/м³.

4. В схеме измерения сопротивления с помощью уравновешенного моста на рисунке 1 сопротивления плеч R₂ = 10 кОм и R₁ = 1 кОм. Определить полное сопротивление переменного резистора R₃, если в качестве R_t применяется терморезистор ТСМ 100 М, а температура меняется от -50 до +50 °С.

5. Определить класс точности манометра с верхним пределом измерения 10 МПа, если максимальная абсолютная погрешность 0,15 МПа.

 

Вариант 9

1. Чувствительность ёмкостного уровнемера 10 нФ/м. Определить изменение реактивного сопротивления конденсатора при измерении уровня от 0,5 до 1 м, если измерительная цепь подключается к источнику переменного ток напряжения частотой 10 кГц. Ёмкостью соединительных линий пренебречь.

2. Термопара ТХА помещена в среду, температура которой меняется от 50 до 100°С. Определить изменение напряжения на выводах милливольтметра с внутренним сопротивлением R_V =150 Ом, если сопротивление измерительной цепи R_ВН =15 Ом, а температура холодных спаев равна градуировочной.

3. При измерении уровня радиоволновым методом время запаздывания отраженного сигнала равно 0,1 мкс. Определить уровень вещества, если радиоизлучатель находится на высоте 25 метров над дном резервуара.

4. При измерении сопротивления с помощью схемы уравновешен­ного моста (рисунок 1) сопротивлениt R₃ = 1200 Ом. Найти температуру контролируемой среды, если R₂ = 800 Ом, R₁ = 100 Ом, а в качестве R_т используется терморезистор ТСП 100 П.

5. Определить пределы измерения логометра (прибор для измерения температуры с двухсторонней шкалой) класса точности 1,5, если максимальная абсолютная погрешность равна 3°С.

 

Вариант 0

1. Напряжение на выводах милливольтметра 0,8 мВ при подключении к термопаре типа ТПП. Определить значение температуры среды, если R_ВН=25 Ом, R_V=200 Ом, а температура холодных спаев 0°С.

2. Милливольтметр снабжён шкалами для измерения напряжения 0-10мВ и температуры 0-100°С. Он отградуирован при сопротивлениях R_V=150 Ом и R_ВН=15 Ом. Определить систематическую погрешность измерения при подключении термопары с R_ВН=10 Ом.

3. На рисунке 5 приведена принципиальная схема психрометра с уравновешенным мостом. Записать уравнение равновесия моста при R₂=R₄ и R₅=R и определить полное сопротивление переменного резистора шкалы R, если максимальная разность сухого и мокрого терморезисторов 10 Ом.

4. Переменный резистор R₃ в схеме на рисунке 1 характеризуется полным сопротивлением 330 Ом и шкалой 0-200° С. Какое отношение сопротивлений R₂ и R₁ необходимо выбрать при использовании терморезистора ТСП 100.

5. Определить вариацию манометра в делениях. Манометр класса точности 0,2 с верхним пределом измерения 100 кПа, на шкале 250 делений.

 

Приложение А

       Таблица 1 – Градуировочные таблицы основных промышленных термопар при температуре холодных спаев 0º С

 

Темпера-тура Т, С º

Градуировка